Optimierung von Schwingungen und Akustik in der virtuellen Produkt- und Fahrzeug-Entwicklung

Motivation

Die Optimierung von Schwingungen und Akustik in der Produktentwicklung wird insbesondere durch die folgenden Aspekte motiviert:

1. Komfort: Vom Menschen wahrgenommene Strukturschwingungen und die dadurch entstehenden Geräusche können das Komfort-Empfinden erheblich beeinträchtigen.
2. Gesetzliche Vorschriften: Es gibt gesetzliche Regelungen, insbesondere hinsichtlich der von Fahrzeugen und Maschinen abgestrahlten Schallleistung, um eine hohe Lärmbelastung für Menschen zu vermeiden.
3. Lebensdauer: Schwingungsbelastungen tragen wesentlich zur Verringerung der Lebensdauer von Strukturbauteilen bei.
4. Sound Design: Verbessert die Nutzbarkeit durch intuitives Feedback und prägt zugleich Markenidentität sowie das emotionale Nutzererlebnis.

Im Rahmen der Fahrzeugentwicklung bezieht sich das Thema Komfort auf die Wahrnehmung der Passiere im Fahrzeuginnenraum. Die Gesetzlichen Vorgaben beziehen sich auf die Wahrnehmung des Verkehrslärms durch Fußgänger und Anwohner. Die Optimierung von Schwingungen und Akustik bedeutet in diesem Kontext in der Regel, Resonanzen zu vermeiden. Die grundsätzliche Vermeidung von Schwingungen ist oft nicht möglich. Im Automobilbereich gibt es beispielsweise gegebene Anregungen durch den Motor-Antrieb, den Kontakt mit der Fahrbahn sowie den Fahrtwind.

Akustik ist multidisziplinär – Abhängigkeit vom Frequenzbereich

Ein wesentlicher Aspekt bei der Analyse und Optimierung von Schwingungen und Akustik ist der relevante Frequenzbereich. Bei niedrigen Frequenzen dominieren Strukturschwingungen, die oft durch einzelne Eigenmoden beschrieben werden können. Bei höheren Frequenzen wird die Akustik aufgrund der Schallabstrahlung schwingender Bleche relevant. Wenn die Modendichte im höheren Frequenzbereich größer wird, ist die Betrachtung einzelner Moden nicht mehr sinnvoll.

Je nach Frequenzbereich kommen unterschiedliche CAE-Methoden zum Einsatz: Niederfrequente Schwingungen können mit Mehrkörpersimulation (MKS) behandelt werden. Im hochfrequenten Kilohertz-Bereich mit hoher Modendichte wird die Statistische Energie-Analyse (SEA) eingesetzt. Zwischen diesen beiden Extremen liegt ein Bereich, der für viele praktische Probleme besonders relevant ist und mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) gut abgedeckt werden kann. Wenn Schwingungen und Akustik über einen weiten Frequenzbereich hinweg in einer Optimierung betrachtet werden sollen, ergibt sich daraus bereits eine multidisziplinäre Optimierungsaufgabe, die MKS-, FEM- und SEA-Analysen umfasst (Abbildung 1).

Leichtbaugetriebene Strukturoptimierung mit Optistruct

In vielen Branchen ist die Entwicklung von Leichtbaustrukturen essenziell. Insbesondere im Bereich Mobilität bedeutet weniger zu bewegende Masse einen geringeren Energiebedarf. Anforderungen an den Leichtbau müssen mit Zielgrößen für Schwingungen und Akustik sowie weiteren Disziplinen kombiniert werden.

Bei Verwendung des FEM-Solvers Optistruct (Altair / Siemens) für Schwingungs- und Akustiklastfälle gibt es einige Solver-interne Optimierungskonzepte für den systematischen Entwurf von Leichtbaustrukturen:

1. Topologie-Optimierung ist der allgemeinste Ansatz zur Optimierung eines Struktur-Designs, bei dem für einen vorgegebenen Designraum eine Dichteverteilung unter Berücksichtigung multidisziplinärer Randbedingungen berechnet wird, woraus dann ein Design-Vorschlag entsteht.
Die Multi-Model-Optimierung in Optistruct bietet die Möglichkeit, die Topologie eines Bauteils unter Berücksichtigung von Lastfällen auf Basis zweier unterschiedlicher Modell-Varianten zu optimieren. Beispielsweise müssen im Fahrzeug-Entwicklungsprozess Lastfälle für die reine Rohkarosserie, aber auch das Gesamtfahrzeug berücksichtigt werden.

Durch die automatische Netzverfeinerung des Designraums ist Topologie-Optimierung mit der aktuellen Optistruct-Version 2026 noch effizienter geworden. Diese Funktion ermöglicht es, mit einem groben Netz für den Designraum zu starten. Der Optimierer verfeinert dann lokal dort, wo die optimierte Topologie eine detailliertere Modellierung erfordert (Abbildung 2).

2. Sickenoptimierung: Bei schwingenden Strukturen stellen schallabstrahlende Bleche eine wesentliche Geräuschquelle dar. Eine effiziente Lösung zur Verringerung der Schallabstrahlung, ohne die Blechdicke und damit die Masse zu erhöhen, ist die Optimierung der Sickenverteilung über das Blech (Abbildung 3)

3. Blechdickenoptimierung: Für Strukturen, die aus mehreren dünnwandigen Blechen bestehen, kann ein Optimum für die Wandstärken ermittelt werden. Dabei wird im Sinne des Leichtbaus die Gesamt-Masse oft als zu minimierende Zielfunktion definiert. Anforderungen an Steifigkeiten, Schwingungen und Akustik werden als Nebenbedingung berücksichtigt.

Wichtige Analyse-Methoden für Schwingungen und Akustik

1. MAC-Wert-Analyse: Im niedrigen Frequenzbereich sind für definierte Schwingungs-Eigenformen oft konkrete Zielwerte zu erfüllen. Im Rahmen von Design-Änderungen der schwingenden Struktur ist daher die zugehörige Änderung der Eigenfrequenz im Zusammenhang mit der zugehörigen Eigenform zu verfolgen (Mode-Tracking). Das kann speziell in einem automatisierten Prozess eine Herausforderung sein, wenn sich die Moden-Reihenfolge ändert. Der MAC-Wert (Modal Assurance Criterion) ist ein Maß zum Vergleich von Schwingungs-Eigenformen und ermöglicht ein automatisches Mode-Tracking.

2. Transfer-Pfad-Analyse: Im Rahmen der Analyse von Schwingungen geht es oft um ein Verständnis dafür, auf welchem Pfad eine Anregung (z.B. durch Motor oder Fahrbahn) sich über die Struktur ausbreitet und schließlich als Schalldruck am Ohr des Fahrzeug-Insassen wahrgenommen wird. Dabei geht es in der Regel um mehrere Pfade und die Frage, aus welchen Anteilen sich der Schalldruck zusammensetzt. Für ein robustes System sollten idealerweise Zielvorgaben für jeden einzelnen Pfad definiert sein.

3. Panel-Partizipations-Analyse: Im Fall mehrerer schwingender Bleche stellt sich die Frage, wie sich ein wahrgenommener Schalldruck aus den Beiträgen mehrerer Bleche zusammensetzt. Die Panel-Partizipations-Analyse liefert diese Auswertung für jede einzelne Frequenz. Für ein robustes System sollte die Schallabstrahlung für jedes schwingende Blech so weit wie möglich reduziert sein.       

Optimierungs-Strategie

Schwingungen und Akustik müssen im Rahmen der virtuellen Produkt-Entwicklung letztlich unter zahlreichen weiteren Randbedingungen in einer Multidisziplinären Optimierung betrachtet werden. Dabei ist es wichtig, die NVH-Anforderungen bereits frühzeitig im Entwicklungs-Prozess zu berücksichtigen. Ein gutes Verständnis des NVH-Verhaltens auf Basis der beschriebenen Analyse-Methoden ist essenziell, um robuste Leichtbau-Lösungen zu finden, welche die Anforderungen an Schwingungen und Akustik erfüllen.